DE2361635A1 - SEMICONDUCTOR GAMMA RADIATION DETECTOR - Google Patents
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- H01L31/115—Devices sensitive to very short wavelength, e.g. X-rays, gamma-rays or corpuscular radiation
Description
11. Dezember 1973 9251-73 Dr.ν.B/SDecember 11, 1973 9251-73 Dr.ν.B / S
Dipl.Phys. Peter Eichinger, 8000 München: 40, Ungererstr. 38 Professor Hartmut Kalimann, 3000 München 81, Elektrastr. 13Dipl.Phys. Peter Eichinger, 8000 Munich: 40, Ungererstr. 38 Professor Hartmut Kalimann, 3000 Munich 81, Elektrastr. 13th
Halbleiter-GainmastrahlungsdetektorSemiconductor gainma radiation detector
Die klassische Anordnung zur Spektroskopie von Gammastrahlung, die Kombination von Szintillatorfcristall und Photomultiplier, hat den Vorteil eines großen SachweisVolumens, läßt jedoch hinsichtlich der erreichbaren Energieauflösung zu wünschen übrig. Die in jüngerer Zeit entwickelten Halbleiter-: G-ammastrahlungsdetektoren, bei denen der Nachweis der Gammast rah.lungsquanteii in der Verarmungszoiie eines in Sperriehtung vorgespannten, pn- oder pin-Übergaiiges oder Metall-Halbleiter-Kontaktes erfolgt, haben demgegenüber den Vorteil einer guten Energieauflösung, während zumindest bei den bisher fast ausschließlich verwendeten Germaniuradetektoren wegen der -relativ geringen KernladLingszahl (Z = 32) in Verbindiüi^ mit den begrenzten Volumina die Nachv/eis-empflndlichkeit .dem Szintillator stark iinterlegen ist. Zudem müssen Germaniumdetektoren auf die lOemperatur des flüssigen .Stickstoffs gekühlt" v/erden und das da-'ilt verbundene Kühl- und Vakuurasvstem ist für viele Anwen-sehr nachteilip. ■ - . ■ ' . -The classic arrangement for spectroscopy of gamma radiation, the combination of scintillator crystal and photomultiplier, has the advantage of a large volume of evidence, allows however with regard to the achievable energy resolution to be desired. The recently developed semiconductor: G-amma radiation detectors, in which the detection of the gamma rah.lungsquanteii in the impoverishment zoiie one in blocking pre-stressed, pn- or pin-superimposed or metal-semiconductor contact takes place, have the advantage of a good energy resolution, while at least with the Germaniura detectors used almost exclusively up to now because of the -relative The small number of nuclei (Z = 32) in connection with the limited volumes reduces the sensitivity of the scintillator to ice is strong. In addition, germanium detectors must be sensitive to the The temperature of the liquid nitrogen is cooled down and that The connected cooling and vacuum systems are very useful for many users disadvantageip. ■ -. ■ '. -
Den I-iachteil, der geringen Hachweiserapfiiidlichkeit von Halbleiterdetektoren kann man vermeiden, wenn man Halbleitermaterial mit höherer Kemladui"gssahl verwendet, wobei in erster Linie Verbindungshalbleiter vom Typ Λ-ρ- B„T in Betracht.να.The disadvantage, the low availability of semiconductor detectors for detection, can be avoided by using semiconductor material with a higher chemical grade, primarily compound semiconductors of the-ρ-B " T type.
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ziehen sind. Ilaiiche dieser Halbleitermaterialien zeichnen sich außerdem durch eine so geringe thermische Trägererzeugung aus, daß ein Betrieb bei Zimmertemperatur oder nur geringer Kühlung möglich wird (z.B. GdTe, GdS). Trotzdem es in jüngerer Zeit gelungen ist, Kristalle aus solchen Halbleitermaterialien mit ausreichender Reinheit herzustellen, war es bisher wegen der Kontaktierungsprobleme nicht möglich, praktisch brauchbare Gammastrahlungsdetektoren dieses iia Prinzip seit langem bekannten Typs herzustellen (siehe z.B. QB-PS 995 886). Um hohe Dunkelströme zu vermeiden, müssen nämlich nicht-injizierende Kontakte angebracht werden, wobei die besonders bei weniger reinem Halbleitermaterial S1-ir Trägersammlung erforderlichen hohen Feldstärken hohe Anforderungen an die elektrische Burchbruchsfestigkeit der Kontakte mit sich bringen. Nach dem derzeitigen Stand der Technik ist es nicht möglich, allen Anforderungen gerecht werdende ρη-Übergänge in den erwähnten Halbleitermaterialien herzustellen und die Anwendung von Hetall-Halbleiterkontakten ist wegen lokaler Dotierungsschwanlcungen und des Auftretens elektrischer !Durchschlage problematisch, so daß die Betriebsspannungen imd damit auch die Energieauflösung bei G-amraastrahltingsdetelctoren mit Halbleitermaterialien hoher Kern ladungszahl praktisch durch die Art der Kontakte bestimmt wird.are pulling. Some of these semiconductor materials are also characterized by so little thermal carrier generation that they can be operated at room temperature or only slightly cooled (eg GdTe, GdS). Although it has recently been possible to produce crystals of such semiconductor materials with sufficient purity, it has not been possible to date to produce practically usable gamma radiation detectors of this type, which has been known for a long time, due to the contacting problems (see e.g. QB-PS 995 886). In order to avoid high dark currents, namely, non-injecting contacts have to be attached, the high field strengths required especially in the case of less pure semiconductor material S1 - ir carrier collection placing high demands on the electrical breakdown resistance of the contacts. According to the current state of the art, it is not possible to produce ρη junctions in the semiconductor materials mentioned that meet all requirements and the use of metal semiconductor contacts is problematic because of local doping fluctuations and the occurrence of electrical breakdowns, so that the operating voltages and thus also the Energy resolution in G-amraastrahlingsdetelctoren with semiconductor materials with a high nuclear charge number is practically determined by the type of contacts.
Der vorliegenden Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, einen Haroleiter-G-ammastrahlungsdetektor anzugeben, der stabile Betriebseigenschaften bei hohen Betriebsspannungen aixfweist und dadurch die Verwendung von Halbleitermaterialien hoher Kernladungszahl und Nachweisempfindlichkeit für die G-anmaspektroskopie ermöglicht.Accordingly, it is an object of the present invention based on specifying a Haroleiter G-amma radiation detector, which has stable operating properties at high operating voltages and thus the use of semiconductor materials high atomic number and detection sensitivity for G-anma spectroscopy.
Diese Aufgabe wird durch einen Halbleiter-G-ammastrahlungsdetektor mit einem Halbleiterkörper und zwei Elektroden, die an voneinander getrennten Oberflächenbereichen des Halbleiterkörpers angebracht sind, gelöst, der gekennzeichnet ist durch die Kombination der Merkmale:This task is performed by a semiconductor g-amma radiation detector with a semiconductor body and two electrodes, which are located on surface areas of the semiconductor body that are separated from one another attached, solved, which is characterized by the combination of features:
a) Der Halbleiterkörper besteht aus Halbleitermaterial eines einzigen Leitungs-typs (er ist also sperrschichtfrei),'a) The semiconductor body consists of semiconductor material of a single line type (it is therefore free of a barrier layer), '
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b) im Halbleitermaterial sind die Ladungsträger beider Vorzeichen beweglich, und das Produkt aus Beweglichkeit und freier Driftzeit (Lebensdauer) ist für jeden Ladungsträgertypb) in the semiconductor material the charge carriers of both signs are mobile, and the product of mobility and free drift time (lifetime) is for each type of charge carrier
_q ρ -1
größer als 10 ,m V ; ·_q ρ -1
greater than 10. m V; ·
c)zwischen mindestens einer der Elektroden und dem zugehörigen Oberflächenbereich ist eine im Vergleich zum Abstand der Oberflächenbereiche dünne. Isolierschicht angeordnet.c) between at least one of the electrodes and the associated one The surface area is thin compared to the distance between the surface areas. Insulating layer arranged.
Vorzugsweise befinden "sich die Oberf lächeribereiche auf einander entgegengesetzten, im wesentlichen parallelen Seiten des aus einem Einkristall bestehenden Halbleiterkörpers und dessen Dicke zwischen den Oberilächenbereichen beträgt mindest ensOp mm.The surface areas are preferably located on mutually opposite, essentially parallel sides of the semiconductor body consisting of a single crystal and its thickness between the surface areas is at least Op mm.
Weitere Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. . --'_'_ Further refinements and developments of the invention are characterized in the subclaims. . --'_'_
Durch das Merkmal b) ist gewährleistet, daß beim Durchlaufen eines Elektrodenabstandes von 0,5 mm unter dem Einfluß eines elektrischen Feldes von TO Vm" noch SO fo der durch die nachzuweisende Gammastrahlung erzeugten Ladungsträger zum elektrischen Ausgangssignal beitragen;, es entspricht einer mittleren Trägerlebensdauer, die doppelt so groß ist als die Transitzeit. . ■Feature b) ensures that when passing through an electrode distance of 0.5 mm under the influence of an electric field of TO Vm ", SO fo the charge carriers generated by the gamma radiation to be detected contribute to the electrical output signal; which is twice as long as the transit time
Bezüglich des Merkmals c) ist zu erwähnen, daß in einer Veröffentlichung betreffend den Einfluß des Kontaktes auf die durch Alpha-Teilchen induzierten Stromimpulae in Cadmiunisulfidkristallen (Zs. Phys. 172, 19-43 (TS63>, insbesondere Pigur lind der dazugehörige Text auf Seite 28) das Verhalten eines Cadmiumsulfidkristalles beschrieben worden ist, der sich zwischen zwei von ihm jeweils durch ein dünnes Glimmerplättchen isolierten Metallelektroden befindet. Der Cadmiumsulfidkristall war nur etwa 75 jam dick, die Leitfähigkeit und Lebensdauer der Defektelektronen (Löcher) war sehr klein (das ProduktWith regard to feature c) it should be mentioned that in one Publication regarding the influence of the contact on the Current impulses induced by alpha particles in cadmium sulfide crystals (Zs. Phys. 172, 19-43 (TS63>, especially Pigur lind the corresponding text on page 28) the behavior of a Cadmium sulfide crystal has been described, which is between two of him each by a thin mica plate isolated metal electrodes. The cadmium sulfide crystal was only about 75 jam thick for conductivity and life of the defects (holes) was very small (the product
-12 aus Lebensdauer und Beweglichkeit der Löcher betrug ca. 10-12 from the lifespan and mobility of the holes was approx. 10
2 1
in ' V~ , siehe Seite 37 -1. c.) und die Amplitude der durch die2 1
in 'V ~, see page 37 -1. c.) and the amplitude of the
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Alpha-Teilchen erregten Stromimpulse betrug nur ein Bruchteil der mit Metallkontakten erhaltenen Amplitude. Die berechnete nutzbare Betriebsdauer betrug nur wenige Sekunden. Diese Anordnung wurde daher als unbrauchbar angesehen und nicht weiter untersucht. Der genannten Veröffentlichung kann auch nicht entnommen werden, daß die Verwendung einer Isolierschicht zwischen einer Metallelektrode und einem Halbleiterkörper in Kombination mit anderen wesentlichen Merkmalen zu einem brauchbaren Gammastrahlungsdetektor mit sehr vorteilhaften Eigenschaften führen könnte.Alpha particles excited current impulses was only a fraction the amplitude obtained with metal contacts. The calculated usable operating time was only a few seconds. This arrangement was therefore considered unusable and no further examined. The publication mentioned also does not indicate that the use of an insulating layer between a metal electrode and a semiconductor body in combination with other essential features to form a useful gamma radiation detector with very beneficial properties.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; es zeigen:In the following, exemplary embodiments of the invention are explained in more detail with reference to the drawing; show it:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispieles der Erfindung; Figure 1 is a schematic representation of an embodiment of the invention;
I1IgUr 2 eine schematische Darstellung eines Halbleitereinkristalles mit der zugehörigen Elektrodenanordnung undI 1 IgUr 2 a schematic representation of a semiconductor single crystal with the associated electrode arrangement and
Figur 3 eine schematische Darstellung eines Teiles eines Halbleitereinkristalles mit der zugehörigen Elektrodenanordnung, auf die bei der Erläuterung eines vorteilhaften Betriebsverfahrens der vorliegenden Gammastrahlungsdetektoren. Bezug genommen wird. Figure 3 is a schematic representation of part of a Semiconductor single crystal with the associated electrode arrangement, to which in the explanation of an advantageous operating method of the present gamma radiation detectors. Is referred to.
Der in Pigur 1 als Ausführuiigsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellte G-ammastrahlungsdetektor enthält einen monokristallinen Halbleiterkörper 10 aus einem Halbleitermaterial, das vorzugsweise mindestens ein Element relativ hoher Ordnungszahl (vorzugsweise über 50) enthält, um eine hohe Nachweis empfindlichkeit für Gammastrahlung zu gewährleisten. Als Halbleitermaterial eignen sich insbesondere Verbindungen des Typs AjjByj also z.B. Cadmiumsulfid, Oadmiumselenid, öadmiumsulfidselenid, ferner Bleisulfid, Oadmiumtellurid und dergl.The one in Pigur 1 as an embodiment of the invention G-amma radiation detector shown schematically contains a monocrystalline semiconductor body 10 made of a semiconductor material, which is preferably at least one element relatively higher Contains atomic number (preferably over 50) to provide high evidence ensure sensitivity to gamma radiation. as Semiconductor material are particularly suitable compounds of the AjjByj type, e.g. cadmium sulfide, oadmium selenide, oadmium sulfide selenide, also lead sulfide, oadmium telluride and the like.
Das Halbleitermaterial des Halbleiterkörpers soll eine hohe Reinheit haben, so daß die ladungsträger beider Vorzeichen, also Elektronen und Defektelektronen (Löcher) eine ausreichende Lebensdauer und Beweglichkeit haben, um nach ihrer ErzeugungThe semiconductor material of the semiconductor body should have a high purity, so that the charge carriers of both signs, So electrons and holes (holes) have a sufficient lifespan and mobility to after their creation
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durch ein Gammaquant eine möglichst große Strecke im Halbleiterkörper durchlaufen zu können. Hierauf wird weiter Unten noch eingegangen.by a gamma quantum as long as possible in the semiconductor body to be able to go through. This will be discussed further below.
Die Oberflächen des Ilalbleiterkörpers 10, insbesondere die zwei einander entgegengesetzte, im wesentlichen parallele Oberflächenbereiche 12 χχηά 14 verbindenden Seiten, sind geätzt oder anderweitig so behandelt, daß sie möglichst keine Oberflächendefekte, Haftstellen und dergl. aufweisen. The surfaces of the semiconductor body 10, in particular the two opposite, essentially parallel surface areas 12 and 14 connecting sides, are etched or otherwise treated in such a way that they have as few surface defects, adhesion points and the like.
An den beiden Oberflächenbereichen 12 und 14 ist jeweils eine Elektrodenanordnung angebracht, die im wesentlichen aus einer Metallelektrode 16 und einer diese elektrisch gegen den der betreffenden Elektrode benachbarten Oberflächenbereich isolierenden Isolierschicht 18 besteht. Die Isoliex'schicht 1st im Vergleich zur Dicke des Halbleiterkörpers zwischen den Oberflächenbereichen 12 und 14 sehr dünn, und sie besteht vorzugsweise aus einer Kunststoffolie, z.B. einer metallisierten Polyesterfolie, wie sie unter dem Handelsnamen "Mylar" im Handel ist. .On the two surface areas 12 and 14 is in each case an electrode assembly attached, which consists essentially of a metal electrode 16 and one of these electrically against the the relevant electrode adjacent surface area insulating insulating layer 18 is made. The Isoliex'schicht 1st im Very thin compared to the thickness of the semiconductor body between the surface areas 12 and 14, and it is preferably made of a plastic film, for example a metallized polyester film, as is commercially available under the trade name "Mylar" is. .
Bei dem in Eigur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel enthielt jede Elektrodenanordnung ein Stück Kunststoffolie 20 des oben erwähnten Typs, das etwas über den betreffenden Oberflächenbereich 12 bzw. 14 hillausreicht, um Überschläge, die beim Anlegen einer hohen Betriebsspannung sonst auftreten könnten, zu vermeiden. Die Kunststoffolie 20 ist einseitig mit einer dünnen Aluminiumschicht 22 bedampft, die sich auf der dem Halbleiterkörper 10 abgewandten Seite der Kunststoffolie 20 befindet. Zwischen der Kunststoffolie 20 und der Metallelektrode 16 ist ferner noch eine dünne Folie 24 aus einem v/eichen Metall, wie Indium,- angeordnet, um Unebenheiten auszugleichen und um zu gewährleisten, daß die Kunststoffolie 20, wenn.sie mittels der Metallelektrode 16 an den Halbleiterkörper 10 angepreßt wird, überall ganz dicht an dem betreffenden Oberflächenbereich anliegt.In the embodiment shown in Eigur 1 contained a piece of plastic film 20 for each electrode arrangement of the type mentioned above, which is something about the surface area in question 12 or 14 is sufficient to avoid flashovers that otherwise occur when a high operating voltage is applied could avoid. The plastic film 20 is vapor-coated on one side with a thin aluminum layer 22, which is on the the side of the plastic film 20 facing away from the semiconductor body 10 is located. Between the plastic film 20 and the metal electrode 16 there is also a thin film 24 made of one v / oak metal, such as indium, - arranged to level out unevenness and to ensure that the plastic film 20 when.sie by means of the metal electrode 16 to the semiconductor body 10 is pressed, everywhere very close to the surface area in question is present.
Die Elektroden 16 sind in der auB !Figur 1 ersichtlichenThe electrodes 16 can be seen in FIG. 1
509824/0 532"509824/0 532 "
Weise mit einer Schaltungsanordnung verbunden, die einen einpoligen Umschalter 26, eine schematisch als Batterie dargestellte Spannungsquelle 28, einen Arbeitswiderstand 30 und eine Ausgangsklemme 32 enthält, an die, wie üblich, ein Impulsspektrometer oder ein Impulshöhendiskriminator oder dergl. angeschlossen werden kann.Way connected to a circuit arrangement that has a single pole Changeover switch 26, a voltage source 28 shown schematically as a battery, a working resistor 30 and an output terminal 32 contains, to which, as usual, a pulse spectrometer or a pulse height discriminator or the like. Connected can be.
Bein Halbleiterkörper 10 ist ferner eine Lichtquelle angeordnet, die eine Glühlampe 34, eine Stromquelle 36 und einen iil in-Aus -Schalter 38 enthält, Der UnLSchalter 26 und der Ein-Aus-Schalter 38 können von Hand oder, wie in Figur 1 sehematisch dargestellt ist, durch ein Progranimsteuergerät 40 (das z.B. einen motorgetriebenen Nockenschalter enthalten kann) steuerbar sein.In the semiconductor body 10, a light source is also arranged, which is an incandescent lamp 34, a current source 36 and a iil on-off switch 38 includes, the unl switch 26 and the on-off switch 38 can be done manually or, as shown in FIG is shown by a program controller 40 (e.g. may contain a motorized cam switch) controllable be.
Bei dem G-ammastrahlungsdetektor gemäß Figur 1 sind zwei verechiedene Betriebsarten möglich: Bei der ersten Betriebsart haben die Schalter 26 und 38 während der Messung die in Figur dargestellten Betriebsstellungen, d.h. die Spannut^ squelle 28 ist in Reihe mit dem Arbeitswiderstand 30 anldie Elektroden 16 angeschlossen und die lichtquelle ist außer Betrieb.In the G-amma radiation detector according to FIG. 1, there are two Different modes of operation are possible: In the first mode of operation, switches 26 and 38 have the ones shown in FIG operating positions shown, i.e. the chip source 28 is in series with the working resistor 30 on the electrodes 16 connected and the light source is out of order.
Für die Erläuterung dieser Betriebsart sei angenommen, daß die von der Spannungsquelle 28 an den Hetallelektroden 16 erzeugte Spannung allmählich von 0 auf ihren Höchstwert, den die SpannungsqueHe 23 zu liefern vermag, gesteigert werde. Wenn die Spannung zwischen den Metallelektroden 16 von 0 aus ansteigt, v/erden zuerst die im Halbleiterkörper vorhandenen , thermisch erzeugten Ladungsträger zu den Oberflächenbereiclien 12 bzw. 14 gezogen. Bei Figur 2 ist dabei angenommen, daß der Halbleiterkörper 10 undotiert, d.h. eigenleitend ist. Bei einer gewissen Spannung, die ein Bruchteil der maximalen Spannung der Spannungsquelle 28 betragen soll, sind alle Ladungsträger aus dem HaH-bleiterkörper 10 au den Oberflächenbereichen 12 und 14 abgewandert und die Ladungen an den Oberflächenbereichen 12 und 14 werden durch entsprechende Ladungen an den Iletallelektroden 16 gerade kompensiert, wie es in Figur 2 durchFor the explanation of this operating mode it is assumed that the voltage generated by the voltage source 28 at the metal electrodes 16 The voltage is gradually increased from 0 to its maximum value that the voltage source 23 is able to deliver. if the voltage between the metal electrodes 16 rises from 0, v / ground those present in the semiconductor body first, thermally generated charge carriers are drawn to the surface areas 12 and 14, respectively. In Figure 2 it is assumed that the Semiconductor body 10 is undoped, i.e. intrinsically conductive. At a certain tension that is a fraction of the maximum tension the voltage source should be 28, all charge carriers from the conductor body 10 on the surface areas 12 and 14 migrated and the charges on the surface areas 12 and 14 are being compensated for by corresponding charges on the hollow electrodes 16, as shown in FIG
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die unmittelbar neben den Metallelektroden 16 bzw. den Oberflächenbereichen 12 und 14 dargestellten Plus- und Minuszeichen dargestellt ist.those directly next to the metal electrodes 16 or the surface areas 12 and 14 shown plus and minus signs is shown.
Wenn nun die Spannung an den.Metallelektroden weiter erhöht wird, stehen für die dadurch in den Metallelektroden 16 auftretenden Ladungen, die durch eine zweite, äußere Reihe von Plus- und Minuszeichen dargestellt sind, keine kompensierenden Ladungsträger im Halbleiterkörper TO mehr zur Verfugung und im Halbleiterkörper but sich dadurch ein elektrisches Feld E auf, das von der einen Metallelektrode 16 zur anderen gerichtet ist. Der durch die beschriebenen-Vorgänge im äußeren Stromkreis entstehende Stromimpuls wird vernachlässigt.If now the voltage on the metal electrodes increases further is, stand for the charges occurring in the metal electrodes 16 through a second, outer row are represented by plus and minus signs, not compensating Charge carriers in the semiconductor body TO are more available and in the semiconductor body but thereby an electric field E, which is from one metal electrode 16 to the other is directed. The one through the processes described in the external The current pulse generated in the circuit is neglected.
Der G-ammastrahlungsdetektor ist nun meßbereit. Wenn im Halbleiterkörper 10 ein Gammaquanthv absorbiert wird, entsteht eine der Energie des Gammaquants entsprechende Anzahl von Paaren freier Ladungsträger, die unter der Wirkung des elektrischen Feldes E zu den Oberflächenbereichen 12 und 14 wandern. Dabei entsteht ein Stromimpuls der kapazitiv durch die Isolierschichten 18 auf die Elektroden 16 gekoppelt wird und an der Ausgangsklemme 32 einen entsprechenden Ausgangsimpuls erzeugt, dessen Amplituden-Zeit-Integral der Energie des absorbierten Gammaquants entspricht. Die nutzbare Betriebsdauer der Meßanordnung bei dieser Betriebsart ergibt sich aus dem Verhältnis der Ladung, die sich auf den durch die Metallelektroden 16, die Isolierschichten 18 und die Oberflächenbereiche 12 und 14 gebildeten Kondensatoren befindet, wenn die Feldstärke im Halbleiterkörper um den maximal zulässigen Betrag (z.B. 10 $) gegen über der zu Betriabsbeginn herrschenden Feldstärke abgesunken ist, zu dem während dieser Zeitspanne geflossenen Strom, der durch die thermisch erzeugten Ladungsträger und die durch die nachgewiesene Gammastrahlung erzeugten Ladungsträger getragen wurde.The G-amma radiation detector is now ready to measure. If in Semiconductor body 10 a gamma quantum is absorbed, arises a number of pairs corresponding to the energy of the gamma quantum free charge carriers which migrate to the surface areas 12 and 14 under the effect of the electric field E. Included a current pulse is produced which is capacitively coupled through the insulating layers 18 to the electrodes 16 and to the output terminal 32 generates a corresponding output pulse, the amplitude-time integral of which is the energy of the absorbed Corresponds to gammaquants. The useful service life of the measuring arrangement in this mode of operation results from the ratio of the charge that is on the through the metal electrodes 16, the Insulating layers 18 and the surface areas 12 and 14 formed capacitors is located when the field strength in the semiconductor body by the maximum amount allowed (e.g. $ 10) against has dropped above the field strength prevailing at the start of operation, to the current that has flowed during this period, that of the thermally generated charge carriers and that of the detected Gamma radiation generated charge carrier was carried.
Die Betriebsspannung wird lediglich durch das elektrische Isolationsvermögen der Isolierschicht 18 begrenzt und kann z.B. in der Größenordnung von 1kV liegen. Ein Feldstärkeabfall vonThe operating voltage is limited only by the electrical insulation capacity of the insulating layer 18 and can e.g. are of the order of 1kV. A drop in field strength of
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10 fo während des Betriebes ist im allgemeinen tragbar, da bei entsprechend hoher Anfangsspannung dann immer noch eine vollständige "ΑοβΒ^λΐτ^" der erzeugten Ladungsträger gewährleistet ist. Wenn die Anfangsspannung 1 kV beträgt und die Oberflächen-10 fo during operation is generally acceptable, since with a correspondingly high initial voltage a complete "ΑοβΒ ^ λΐτ ^" of the charge carriers generated is guaranteed. If the initial voltage is 1 kV and the surface
bereiche 12, 14 jeweils eine Fläche von 1 cm haben, können etwa 3 x 10 Gammaquanten mit einer Energie von 1 MeV nachgewiesen werden, bis die zwischen den Oberfläclienbereiclien wirksame Restspannung auf 900 V abgesunken ist. Die thermische Trägererzeugung kann erforderlichenfalls durch Kühlung des Halbleiterkörpers 10 auf vernachlässigbare Werte herabgesetzt werden.areas 12, 14 each have an area of 1 cm about 3 x 10 gamma quanta with an energy of 1 MeV can be detected until the effective between the surface areas Residual voltage has dropped to 900 V. The thermal carrier generation can, if necessary, by cooling the Semiconductor body 10 can be reduced to negligible values.
Bei der praktischen Ausführungsform bestand der Halbleiterkörper 10 aus einer 3 mm dicken Scheibe eigenleitenden SiIiciums (spezifischer Widerstand 250 kOhm cm) mit einem Durchmesser von 20 mm. Die Oberflächen waren mit e^iner gekühlten Mischung aus dreipeilen Flußsäure und einem Teil Salpetersäure geätzt worderuDiß Elektrodenanordnungen hatten den an Hand von Figur 1 erläuterten Aufbau, als Kunststoffolie 20 diente eineIn the practical embodiment, the semiconductor body existed 10 from a 3 mm thick disc of intrinsic silicon (specific resistance 250 kOhm cm) with a diameter of 20 mm. The surfaces were covered with a cooled mixture of three-part hydrofluoric acid and one part nitric acid Etched electrode assemblies had that on hand from Figure 1 explained structure, as a plastic film 20 was used
-4-2,5 x 10 ^ cm dicke, einseitig aluminisierte Polyesterfolie des oben angegebenen Typs. Bei entsprechend geringer Strahlungsbelastung waren bei Raumtemperatur Betriebszeiten in der Größenordnung von 10 Stunden ohne Schwierigkeiten erreichbar. Das Auflösungsvermögen war ausgezeichnet, so war z.B. die Auflösung der 122-keV-Linie in allen Fällen besser als etwa 1,5 keV und nur durch einen mit der äußeren Schaltung verbundenen Vorverstärker begrenzt.-4-2.5 x 10 ^ cm thick, one-sided aluminized polyester film of the type given above. With a correspondingly low radiation exposure, operating times were of the order of magnitude at room temperature reachable within 10 hours without difficulty. The resolving power was excellent such as the resolution of the 122 keV line in all cases better than about 1.5 keV and limited only by a preamplifier connected to the external circuit.
Die mit Germanium erreichbaren Betriebszeiten sind etwas kleiner. Ausgezeichnete Ergebnisse wurden auch mit hochreinen Oadmiumsulfideinkristallen erzielt, bei denen die nutzbare Betriebsdauer mindestens in der Größenordnung liegt, die bei den erwähnten Siliciumkristallen erreicht wurde.The operating times that can be achieved with germanium are something smaller. Excellent results have also been obtained with high purity oadmium sulfide single crystals that have the useful life is at least of the order of magnitude that has been achieved with the silicon crystals mentioned.
Wenn durch Ansammlung von Trägern an den Oberflächenbereichen 12 und H der vorgegebene untere Grenzwert der Feldstärke E erreicht ist, wird der Umschalter 26 umgeschaltet und die Elektroden 16 dadurch im wesentlichen kurzgeschlossen.If by the accumulation of carriers on the surface areas 12 and H the predetermined lower limit value of the field strength E is reached, the switch 26 is switched over and the electrodes 16 thereby essentially short-circuited.
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Gleichzeitig wird die Lichtquelle eingeschaltet und der Halbleiterkörper 10 belichtet. Auf diese Weise gleichen sich die Ladungen im Inneren des Halbleiterkörper aus und nach Ausschalten der Lichtquelle kann die Spannung wieder an die Metallelektroden 16 angelegt und eine neue Meßperiode begonnen werden.At the same time, the light source and the semiconductor body are switched on 10 exposed. In this way, the charges in the interior of the semiconductor body equalize and after switching off the light source, the voltage can be reapplied to the metal electrodes 16 and a new measuring period started will.
Bei der zweiten Betriebsart wird zu Beginn die Spannung an die Metallelektroden 16 angelegt (der Umschalter 26 also in die in Figur 1 dargestellte Bebriebsßfcellung gebracht) und dann wird der Halbleiterkörper 10 kurzzeitig beleuchtet. Hachdem. die Lichtquelle wieder abgeschaltet worden ist, wird der Umschalter 26 umgeschaltet, so daß die Elektroden 16 über den Arbeitswider stand 30 kurzgeschlossen sind, wie es in Figur 3 dargestellt ist. Die Elektroden 16 bilden nun zusammen mit den zugehörigen Oberflächenbereichen 12 bzw. 14 bzw. dort entstehenden Inversioiisschichteii geladene Kondensatoren, die als Betriebsspannung quelle wirken. Die durch die G-aromastrahlungsquenten erzeugten Ladungsträger kompensieren jeweils einen Teil der an den Oberflächenbereichen 12 und 14 befindlichen Ladungen, wobei dann die entsprechenden Ladungen V021 den Metallelektroden 16 abfließen und einen Stromimpuls im Ausgangskreis erzeugen.In the second operating mode, the voltage is applied to the metal electrodes 16 at the beginning (i.e. the changeover switch 26 in the operation shown in Figure 1 brought) and then the semiconductor body 10 is briefly illuminated. Hachdem. the Light source has been switched off again, the changeover switch 26 is switched over so that the electrodes 16 via the work resistance stand 30 are short-circuited, as shown in FIG. The electrodes 16 now form together with the associated Surface areas 12 and 14 or the inverse layer arising there charged capacitors that act as an operating voltage source. The ones generated by the G aroma radiation sequences Charge carriers each compensate a part of the charges located on the surface areas 12 and 14, in which case the corresponding charges V021 flow off the metal electrodes 16 and generate a current pulse in the output circuit.
Die beschriebene zweite Betriebsart hat den großen Vorteil, daß der G-amniastrahlungsdetektor während des Betriebs nicht mit einer Spannungsquelle verbunden, zu sein braucht für Experimente, deren Dauer kurzer ist als die oben erläuterte Betriebsdauer, man kann daher mit räumlich sehr kleinen Meßanordnungen arbeiten, da praktisch nur der "geladene" Halbleiterkörper mit den Elektrodenanordnungen benötigt wird und die Metallelektroden 16 direkt an eine Einrichtung zur Nutzbarmachung der Ausgangsimpulse angeschlossen werden können.The second operating mode described has the great advantage that the G-amniastradiation detector does not use it during operation connected to a voltage source, needed for experiments, whose duration is shorter than the operating time explained above, you can therefore work with spatially very small measuring arrangements, since practically only the "charged" semiconductor body with the electrode arrangements and the metal electrodes are required 16 directly to a device for utilizing the output pulses can be connected.
Bei der zweiten Betriebsart erfolgt die Regenerierung dadurch, daß die Spannungsquelle an die Metallelektroden 16 angeschlossen, der Halbleiterkörper dann kurzzeitig belichtet und die Spannungsquelle dann wieder aus dem äußeren Stromkreis ausgeschaltet wird.In the second operating mode, the regeneration takes place in that the voltage source is connected to the metal electrodes 16, the semiconductor body is then briefly exposed and the voltage source then again from the external circuit is turned off.
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Bei beiden Betriebsarten können die Schaltvorgänge periodisch durch die Programmsteuerung 40 bewirkt werden. Die Regenerierung erfordert jeweils nur eine sehr kurze Zeit, 2.B. 1 ms, die im Hinblick auf die langen Meßzeiten vernachlässigt werden kann.In both operating modes, the switching operations can be periodically effected by the program control 40. The regeneration requires only a very short time each time, 2.B. 1 ms, which is neglected in view of the long measurement times can be.
Es ist selbstverständlich bei allen Ausführungsformen durch ein für die nachzuweisende Gammastrahlung durchlässiges Gehäuse dafür Sorge getragen, daß der Halbleiterkörper 10 während der Messungen nicht von störendem Fremdlicht getroffen wird.It goes without saying in all embodiments ensured by a transparent housing for the gamma radiation to be detected that the semiconductor body 10 during the measurements are not affected by interfering extraneous light.
Unter Umständen genügt es, wenn nur eine der beiden Metallelektroden 16 durch eine Isolierschicht vom Halbleiterkörper 10 getrennt ist.It may be sufficient if only one of the two metal electrodes is used 16 is separated from the semiconductor body 10 by an insulating layer.
Anstelle der erwähnten Halbleitermaterialien können selbstverständlich auch noch andere Halbleitermaterialien verwendet werden, vorausgesetzt, daß sie den eingangs erwähnten Bedin£,-angen genügen.Instead of the semiconductor materials mentioned, it goes without saying that other semiconductor materials can also be used, provided that they meet the conditions mentioned at the beginning suffice.
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